東大物理 '18 年前期 [2] 真空中に置かれた、ばねを組み込んだ平行板コンデンサーに関する以下の設問に答えよ。ただし、真空の誘電率を とし、ばね自身の誘電率による電気容量の変化は無視できるとする。また、金属板は十分に広く端の効果は無視できるものとし、金属板間の電荷の移動は十分に速くその移動にかかる時間も無視できるものとする。さらに、金属板の振動による電磁波の発生、および重力の影響も無視できるとする。 T 図 2-1 のように、同じ面積 S の 2 枚の金属板からなる平行板コンデンサーが電源につながれている。 2 枚の金属板は、ばね定数 k の絶縁体のばねでつながれており、上の金属板はストッパーで固定されている。下の金属板は質量 m をもち、上の金属板と平行のまま上下に移動し、上の金属板との間隔を変化させることができる。 電源の電圧を V にしたところ、ばねは自然長からわずかに縮み、金属板の間隔が d となる位置で静電気力とばねの弾性力がつりあい、下の金属板は静止した。
(1) 金属板間にはたらいている静電気力の大きさを求めよ。
(2) ばねに蓄えられている弾性エネルギーを求めよ。
(3) この状態から、下の金属板を引っ張り、上の金属板との間隔を d から までわずかに広げて放すと、下の金属板はつりあいの位置を中心に単振動した。この単振動の周期を求めよ。ただし、 が 1 より十分小さい実数 α に対して成り立つ近似式、 を用いてよい。 [ 補足説明 ] T (3) において、電源の電圧は V で一定に保たれている。
U 図 2-2 のような同じ面積 S の 5 枚の金属板からなる平行板コンデンサーを含む回路を考える。金属板 1 , 2 , 4 , 5 は固定されている。質量 m をもつ金属板 3 は、金属板 4 にばね定数 k のばねでつながれており、ほかの金属板と平行のまま、上下に移動することができる。金属板 2 , 3 , 4 には、それぞれ、 , , の電荷が与えられている。金属板 1 と 5 は、図 2-2 に示すような電源と二つのスイッチを含んだ回路に接続されている。はじめ、スイッチ 1 は閉じ、スイッチ 2 は開いており、電源の電圧は 0 であった。このとき、 5 枚の金属板は静止しており、隣り合った金属板の間隔はすべて で、ばねは自然長になっていた。 まず、電源の電圧を 0 から小さな値 V ( )までゆっくり変化させた。この過程で金属板 3 はつねに力のつり合いを保ちながら移動し、金属板 1 と金属板 5 にはそれぞれ , の電荷が蓄えられた。 (1) このとき、金属板 3 の元の位置からの変位 x を、 , Q , q , k , S を用いて表せ。ただし、図 2-2 中の下向きを x の正の向きとする。 (2) このときの を全電気容量と呼ぶ。 を、 , Q , k , S , を用いて表せ。 (3) 次にスイッチ 1 を開きスイッチ 2 を閉じると金属板 3 は単振動した。この運動において、金属板 3 の図 2-2 の位置からの変位が x のときの金属板 5 の電荷を、 Q , x , を用いて表せ。ただし、図 2-2 中の下向きを x の正の向きとする。 (4) 設問U (3) の単振動の周期を求めよ。
[ 補足説明 ] Uにおいて、ばね定数 k は十分に大きいものとする。
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解答 難問とは言えませんが、煩雑で面倒な計算を強いられる問題です。 T (1) 2 枚の金属板間にできている コンデンサー の静電容量は ,金属板間に電圧 V がかかっているので、コンデンサーが蓄える電気量 Q は、 金属板間の距離は d なので、金属板間に生ずる電場の強さは 金属板間に働く静電気力の大きさ F は、公式 より、 ......[ 答 ] ( 下の金属板に働く力の向きは図の上向き )
(2) ばねの自然長からの縮みを とすると、ばねの 弾性力 と (1) の F との つり合い より、 ∴ ・・・@ ......[ 答 ]
(3) 右図のように、下の金属板がつり合いの位置から x だけ下がった状況を考えると、 2 枚の金属板間の距離は ,ばねの自然長からの縮みは です。金属板間の静電気力 は、 (1) の結果で、 とし、問題文の近似式を用いて、 ( 図で上向き ) ばねの弾性力は図の下向きで、 x を下向き正になるようにとったので、下の金属板の下向きの加速度を a として、 運動方程式 は、 @より、 ,よって、 これは、角振動数 の 単振動 を表します。単振動の周期 T は、 ......[ 答 ]
U 金属板 5 の電荷を とすると、金属板 4 の上側の電荷は です。金属板 4 の全電荷は なので、金属板 4 の下側の電荷は です。金属板 3 の上側の電荷は ,金属板 3 の全電荷は なので、金属板 3 の下側の電荷は です。金属板 2 の上側の電荷は です。金属板 2 の全電荷は なので、金属板 2 の下側の電荷は です。よって、 金属板 5 と金属板 4 の間のコンデンサーが蓄えている電気量は q (金属板 5 が高電位 ) ,
金属板 4 と金属板 3 の間のコンデンサーが蓄えている電気量は , 金属板 3 と金属板 2 の間のコンデンサーが蓄えている電気量は , 金属板 2 と金属板 1 の間のコンデンサーが蓄えている電気量は q (金属板 2 が高電位 ) ,
となります。
(1) 金属板 3 と金属板 4 の間 ( 極板間距離は ,静電容量は ,電圧は ,電場の強さは ) に働く静電気力 ( 引力なので向きは図の上向き ) はT (1) と同様にして、 ・・・A 金属板 2 と金属板 3 の間 ( 極板間距離は ,静電容量は ,電圧は ,電場の強さは ) に働く静電気力 ( 引力なので向きは図の下向き ) は、 ・・・B なので、変位 x は正でばねは伸びており、ばねの弾性力 は上向きです。よって、力のつり合いより、 ∴ , ∴ ......[ 答 ]
(2) 金属板 5 と金属板 4 の間のコンデンサーの静電容量、金属板 2 と金属板 1 の間のコンデンサーの静電容量は、 で、ともに電荷 q を蓄えているので電圧は です。 キルヒホッフ第 2 法則 より、各コンデンサーの電圧の和は V なので、A,Bより、 (1) の結果を代入すると、
∴ ......[ 答 ]
(3) スイッチ 2 を閉じると、金属板 5 と金属板 1 は等電位になります。Cで とすると、 ∴ ......[ 答 ]
(4) (3) の結果をA,Bに代入することにより、変位が x のときに金属板 3 に働く静電気力は、
, ・・・D 金属板 3 には、その他にばねの弾性力 が働きます。 が上向き、 が下向きであることに注意し、また、下向きを正としているので、 のとき、弾性力は ( 弾性力は上向き ) であることに注意すると、金属板の運動方程式は、加速度を a として、 Dを代入し、
∴ これは、角振動数 の単振動を表します。周期 T は、 ......[ 答 ] 【広告】ここから広告です。ご覧の皆さまのご支援ご理解を賜りたく、よろしくお願いいたします。
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